混凝土結(jié)構(gòu)加大截面加固水泥基灌漿混合料抗壓強(qiáng)度的現(xiàn)場實(shí)體試驗(yàn)研究

尹萌萌

（淄博職業(yè)學(xué)院建筑工程學(xué)院，淄博255314）

0 引 言

整體混凝土結(jié)構(gòu)系統(tǒng)與各組件之間具備聯(lián)合效應(yīng)，且安全結(jié)構(gòu)系統(tǒng)需要層層防御，在這當(dāng)中各組件的重要性不盡相同［1］。梁一旦落下柱子即存在倒下的可能，而柱子一旦倒下梁就必然會(huì)落下［2］。以往的地震災(zāi)害顯示地震時(shí)的建筑結(jié)構(gòu)崩塌和破壞一般都由于柱子遭受到損壞而引起［3］。最常用的柱體加固方式為增加截面法，采用被鑿毛的柱子表面以去除柱子角，但這種方式除了建設(shè)效率慢、伴有大量的灰塵外，激烈振動(dòng)還會(huì)損傷鋼筋，并造成混凝土內(nèi)部損傷的擴(kuò)大化［4］。因此，在確保建筑構(gòu)造物的安全性前提下，需要提出一種有利于生態(tài)環(huán)境的經(jīng)濟(jì)性接合表面處理方法。為了研究各種結(jié)合表面處理方法對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響，本研究將核心柱體的外部面分為三類研究參數(shù)，具體為未經(jīng)過處置、鑿毛和黏貼鋼絲網(wǎng)格處理，并對(duì)3 根以水泥灌漿料為基礎(chǔ)強(qiáng)化的柱狀試驗(yàn)件進(jìn)行軸向壓力測試。

1 研究試件的設(shè)計(jì)制作

試樣材料接合面的力傳遞效果直接影響擴(kuò)大截面法加固后的材料性能［5］。為了調(diào)查結(jié)合表面處理方法給柱體的機(jī)械特性帶來的影響，制造了3 個(gè)以水泥灌漿料為基礎(chǔ)強(qiáng)化的柱狀試驗(yàn)件。具體設(shè)計(jì)參數(shù)如表1 所示，三個(gè)核心柱體的外部面處置方法分別是表面不處理、鑿毛和黏貼鋼絲網(wǎng)。為了強(qiáng)化突出表面處理方式對(duì)受力性能的影響，本研究減少了柱子中鋼筋的比例。核心柱體和水泥灌漿材料增強(qiáng)的一部分柱體都配備有48 個(gè)縱肋條，柱體端部邊緣的箍筋是3根φ6@30，非加密領(lǐng)域的箍筋是φ6@100。

2 加固試驗(yàn)的測試步驟

經(jīng)過水泥基灌漿加固的柱子，各種材料的強(qiáng)度協(xié)作水平，都會(huì)致使應(yīng)力情況變得非常復(fù)雜［7］。柱體強(qiáng)化固定最為理想化的情況是在柱子的支撐力到達(dá)其極限的時(shí)候，各種材料也都在自身的強(qiáng)度范圍之內(nèi)達(dá)到了最高的數(shù)值強(qiáng)度［8］。為了研究水泥基灌漿材料強(qiáng)化實(shí)施后柱體的形變特性以及不同材料的協(xié)作能力，本測試研究軸向載荷下加固柱的橫向以及縱向量變、極端工況下的支撐能力等，以及連續(xù)負(fù)荷時(shí)強(qiáng)化柱的形變特性與損壞特性。

表1 試驗(yàn)件的具體參數(shù)Table 1 Specific parameters of test pieces

圖1 核心柱體及增強(qiáng)柱體的設(shè)計(jì)圖（單位：mm）Fig.1 Design drawing of core column and reinforced column（Unit：mm）

2.1 應(yīng)變測量步驟

使用水泥基灌漿材料作為增強(qiáng)材料可以最大限度地利用水泥基灌漿材料的高水平抗壓特性［9-10］。經(jīng)過強(qiáng)化后的水泥基灌漿材料在其抗壓水平方面是否有所提升，并且在運(yùn)用過程當(dāng)中是否能夠最大程度地發(fā)揮效用，取決于水泥基灌漿材料的應(yīng)變情況。為此，應(yīng)變儀要靠近柱體自身的中央，同時(shí)，為了判斷接合面的連接成效，判斷相對(duì)滑動(dòng)位移情況是否出現(xiàn)，應(yīng)變儀必須在核心柱體和增強(qiáng)部件之間的接合面上，如圖2所示。

圖2 柱體表面應(yīng)變量配置（單位：mm）Fig.2 Strain gauge configuration of cylinder surface（Unit：mm）

2.2 電阻應(yīng)變片的布置

根據(jù)圖3 顯示，為了研究這種情況下的鋼筋是否屈服，以及各鋼筋的變化和各柱體之間支撐力的關(guān)系，將標(biāo)準(zhǔn)距離2 mm的電阻應(yīng)變片配置在核心柱體和水泥基灌漿材料的增強(qiáng)區(qū)域中。ZZY代表縱向柱體的應(yīng)變量片，ZGY 代表柱體箍筋應(yīng)變量片。

圖3 增強(qiáng)柱體應(yīng)變片的布局（單位：mm）Fig.3 Layout of cylinder reinforced strain gauge strain gauge layont of strengthenedcylinder（Unit：mm）

2.3 位移測量儀的布置

軸方向的壓縮應(yīng)力會(huì)引起加固柱體的壓縮形變，垂直拉伸應(yīng)力會(huì)引起加固柱的膨脹變形。柱體壓縮變量反映了負(fù)載進(jìn)程中柱體塑性進(jìn)展，膨脹量反映了柱體的拉伸容量，還可以更加明顯地反映由于負(fù)荷時(shí)的滑動(dòng)而導(dǎo)致的加固接合面的脫離程度，并可以此對(duì)比不同接合面的強(qiáng)化成效。為了避免相位計(jì)之間的關(guān)聯(lián)效應(yīng)影響，在柱體的上部到10 mm 距離配置2 個(gè)相位計(jì)，用以測量柱體的垂直壓縮位移，在柱子的中央部位4 邊側(cè)配置4個(gè)位移測量計(jì)，具體配置情況如圖4所示。壓縮與膨脹狀態(tài)下的位移計(jì)算公式如下：

式中：ΔLx代表相位計(jì)所測量出來的X數(shù)值；ΔH表示柱體在壓縮條件下的位移情況；δ1表示柱體在膨脹條件下的位移情況。

圖4 柱試件位移計(jì)的配置（單位：mm）Fig.4 Displacement meter layout of spelimen（Unit：mm）

2.4 試驗(yàn)測試步驟

測試使用單軸負(fù)荷法，研究軸向載荷條件下加固柱的力學(xué)性能。

2.4.1 測試裝載裝置

鋼筋混凝柱體的負(fù)荷范圍是0～5 000 kN，在三軸應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)中精準(zhǔn)施加壓力，具體情況如圖5所示。

圖5 柱軸壓加載裝置Fig.5 Column axial pressure loading device

2.4.2 試驗(yàn)加載步驟

柱體的試驗(yàn)負(fù)荷按照最大壓縮負(fù)荷的20%逐級(jí)遞增，直至加載到裂縫負(fù)荷的60%，在負(fù)荷保持階段測量裂縫的寬度及發(fā)展方向，直到載荷無法增加為止。

2.4.3 試驗(yàn)破壞特征

三根強(qiáng)化柱體的破損特性不像理論上所講述的那樣是從柱體中央呈現(xiàn)燈籠狀破損，而是柱體中央部和柱體上部最出現(xiàn)裂縫。其主要原因是加工誤差導(dǎo)致。在負(fù)荷的初期階段，強(qiáng)化柱體的試驗(yàn)件整體承受軸方向的壓力，隨著荷重達(dá)到最終支持力水平的50%，“吱吱”的聲音從試驗(yàn)片的內(nèi)部向外界傳出，表示柱體的不同材料變形開始不一致，同時(shí)微裂紋逐漸增大。由于水泥基灌漿材料和混凝土彈性率的不同，接合面產(chǎn)生了剪切應(yīng)力，當(dāng)結(jié)合力度比剪切應(yīng)力小的時(shí)候，在混凝土和水泥基灌漿材料的黏合面發(fā)生滑動(dòng)。當(dāng)負(fù)荷增加到極端支持力的70%的時(shí)候，柱體中央上部的水泥基灌漿材料的微小裂縫開始增加，出現(xiàn)垂直裂縫。如果負(fù)荷持續(xù)的增長的話，垂直裂縫的數(shù)量也會(huì)持續(xù)增加。

柱體上面水泥基底灌漿材料的一部分開始小范圍破碎，橫向裂縫開始產(chǎn)生，柱子上水泥底層灌漿材料的強(qiáng)化層和核心柱體在很大程度上完全分離，水泥基灌漿材料梯度強(qiáng)化形成了薄壁的“口”形狀，水泥基灌漿材料受到了不穩(wěn)定損傷。在極限負(fù)荷鄰近區(qū)域，水泥基層灌漿材料和混凝土開始進(jìn)入塑性變形，裂縫呈現(xiàn)擴(kuò)大化趨勢，由于混凝土橫向沒有約束力，發(fā)生較大的變形，從而產(chǎn)生大的“卸載”現(xiàn)象。柱體試驗(yàn)件瞬時(shí)達(dá)到最大耐力，同時(shí)還有“嘭”的爆炸聲響起。柱體上部的水泥基灌漿材料徹底進(jìn)入可塑性階段，進(jìn)而大面積被撕裂，柱體遭受損傷，試驗(yàn)件的耐力大幅度降低。

3 試驗(yàn)應(yīng)變分析

3.1 水泥基灌漿料應(yīng)變

根據(jù)圖6 顯示，在負(fù)荷的初始階段，水泥基灌漿材料的應(yīng)變曲線與負(fù)荷呈現(xiàn)線性相關(guān)。這表明，強(qiáng)化后的試驗(yàn)件整體承受壓力，連接面沒有出現(xiàn)滑動(dòng)等現(xiàn)象。如果試驗(yàn)件的裂縫拓展到中央部位的話，應(yīng)變隨之突然變化，應(yīng)變量進(jìn)而破損。比較3個(gè)強(qiáng)化柱體試驗(yàn)件的負(fù)荷-應(yīng)力曲線能夠得知，在同樣的負(fù)荷條件下，沒有實(shí)施過任何結(jié)合面處置的RCZ-1柱體，應(yīng)變應(yīng)當(dāng)比其他的2個(gè)柱體顯著大一點(diǎn)，表明混凝土和水泥基灌漿材料出現(xiàn)了滑動(dòng)情形?；谒嗷酀{材料的接合面處理后得到了改善，水泥基灌漿材料與其他材料能夠更加容易地發(fā)揮協(xié)同作用，相對(duì)滑動(dòng)也會(huì)隨之減少。因此，對(duì)于柱體的強(qiáng)化，必須要進(jìn)行結(jié)合表面處理。

圖6 各試件灌漿料的力-應(yīng)變曲線Fig.6 Force-strain curve of each specimen

3.2 鋼筋應(yīng)變曲線分析

根據(jù)圖7 所示，在加載初始階段，加強(qiáng)柱內(nèi)的鋼筋及水泥灌漿基料應(yīng)變均減小，在繼續(xù)加載出現(xiàn)裂縫時(shí)，鋼筋的應(yīng)變曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，隨后加強(qiáng)柱內(nèi)的應(yīng)變開始迅速增大，而灌漿料內(nèi)的鋼筋應(yīng)變并無增大。由此可以看到，進(jìn)行灌漿施工后的強(qiáng)度逐漸增大，同時(shí)為了充分利用鋼筋的強(qiáng)度，盡量不要選擇低強(qiáng)度鋼筋。

圖7 各試件鋼筋的力-應(yīng)變曲線Fig.7 Force-strain curve of each specimen

3.3 加載曲線特性

如圖8（a）所示，柱體的壓縮位移程度和負(fù)荷之間呈現(xiàn)出顯著的關(guān)聯(lián)效應(yīng)。主要原因是負(fù)荷結(jié)束后，水泥基灌漿料產(chǎn)生了裂縫，加強(qiáng)柱的四角脫落，壓力面減少，混凝土和水泥基灌漿料呈現(xiàn)出明顯的彈性形變。測試件RCZ-2和RCZ-3的壓縮量曲線，在負(fù)荷的后期階段展現(xiàn)出了特定的可塑形變特性。試驗(yàn)件RCZ-1 的極端負(fù)荷水平不高，壓縮量微小，并且損壞情況顯著。這表明，如果沒有處理黏合面，水泥基灌漿料和混凝土?xí)p易滑脫，導(dǎo)致類似于薄壁組件的失穩(wěn)現(xiàn)象。經(jīng)過對(duì)比實(shí)施能夠得知，包裹鋼線網(wǎng)格處置下的RCZ-3 的壓縮剛性最大，鑿毛處置的RCZ-2 試驗(yàn)件的壓縮剛性位列第二，沒有經(jīng)過處置的RCZ-1 試驗(yàn)件的壓縮剛性最小。其主要成因是黏接面處理后，新舊材料脫開較晚，整體截面的剛度大于兩個(gè)截面疊加的剛度，鋼絲網(wǎng)包裹的混凝土具有更強(qiáng)的握裹力。另外從圖中可以看到，實(shí)施了鑿毛處理的RCZ-2測試塊能源消耗性能最高，實(shí)施了線網(wǎng)格處理的RCZ-3 能源消耗性能位列第二，試驗(yàn)件RCZ-1 能源消耗最少。

4 結(jié) 論

（1）柱體采用水泥基灌漿料進(jìn)行強(qiáng)化可以充分發(fā)揮水泥基灌漿料高強(qiáng)度的抗壓特性。

（2）強(qiáng)化柱體接合面的處理能夠提高部件的承載力，此外還能夠提升各種材料的協(xié)調(diào)性能。

（3）通過運(yùn)用鋼網(wǎng)狀的接口處置模式，能夠大幅度提升工作效率，避免對(duì)環(huán)境產(chǎn)生太大的污染。

（4）在混凝土柱體上使用水泥基灌漿料時(shí)，不應(yīng)當(dāng)使用強(qiáng)度水平較高的鋼筋，如果柱體受損，鋼筋在大多數(shù)情況下都不會(huì)屈服。

圖8 柱體的位移力曲線Fig.8 Force-displace of cylinder